CN107737376A - 一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法 - Google Patents

一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，包括碳纳米管分散液的制备，胶原蛋白交联及最终补片的制备。该方法简单有效，制备的导电胶原蛋白心脏补片机械强度高、电子传导性强且具有良好的生物相容性、安全性、易生物降解性，解决了普通心脏修补材料使用过程中韧性和电子传导差等的局限性，在组织工程等生物医用材料领域具有广泛的应用前景。

Description

一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法
技术领域
本发明涉及心脏植入材料技术领域，尤其涉及一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法。
背景技术
在全球范围内，心血管疾病(CVD)，包括心肌梗塞(MI)，有着很高的发病率和死亡率，全球死亡率的31％可以直接归因于CVD。心肌梗塞，心脏部分供血中断导致细胞死亡和纤维化瘢痕组织的形成，是导致CVD并造成这些死亡的主要原因。心肌上的纤维化瘢痕组织的形成导致心室壁的减弱，并造成由胶原蛋白滑动和瘢痕变薄引起的心脏舒张容积的增加以及由新微心肌梗塞影响的位于邻近瘢痕的心肌中的心肌细胞，该过程称为心室重构，它造成了心室的几何结构和形状的显著变化，并导致心脏舒张体积的进一步增加。因此，随着心脏舒张体积的增加而导致更多的心室重构，导致舒张体积的进一步增加等等，恶性循环。
组织工程(TE)是支持和修复由心肌梗塞引起的心脏瘢痕组织的主要新兴治疗方法，装有干细胞的材料组织工程是心肌梗塞治疗的下一个进展，研发可以直接植入心肌梗塞的细胞支持支架是一个很有吸引力的解决方案。然而，心脏心室壁组织的组织工程需要具有特定性质的材料。这些材料应该通过组织工程基质将心脏跳动转换成电信号，使得负载的细胞与活组织变得同步。组织工程基质还需要机械耐久和柔韧性，以在组织再生期间向心室壁提供机械支持，并且能够承受心脏跳动期间的显著地体积变化。近来，基于合成和天然聚合物的贴片式组织工程基质已经在制造技术和生物材料化学的进步中得到越来越多的研究关注。组织工程基质可以作为组织再生基质和用于药物或生长因子的特异性递送载体的双重目的。
水凝胶，特别是胶原蛋白，是组织工程基质的理想材料，它们有好的生物相容性，递送治疗药物的能力和柔韧性，在多方面得到了应用。由胶原蛋白制成的水凝胶是高度生物相容的材料，可以被塑造成一系列形状并应用于心脏贴片。水凝胶的特征在于相对较低的韧性，这会导致在心脏跳动条件下的机械故障和差的电子传导。
碳纳米管(CNT)，是一种高机械强度和电子传导性的添加剂，可以增强胶原蛋白水凝胶的强度及韧性，并使杨氏模量得到显著地提高，用于掺入以显着地提高作为心肌梗塞的组织工程基质的这些水凝胶的性能，从而改善其作为心脏修补材料的生存能力。向生物材料中添加导电碳，提供了聚合物基质机械增强和降低传导渗透的关键优势。碳纳米管的加入对干细胞是无毒的，可支持活的、跳动的心脏细胞，为心脏的进一步发展提供了一条途径。
因此，本领域需要开发一种机械强度高、电子传导性强的导电胶原蛋白心脏补片，从而解决普通心脏修补材料使用过程中韧性和电子传导差等的局限性。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，该方法制备的心脏补片，机械强度高、电子传导性强，从而解决了普通心脏修补材料使用过程中韧性和电子传导差等的局限性。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：其制备步骤包括碳纳米管分散液的制备，胶原蛋白交联及补片的制备；
所述碳纳米管分散液的制备按照如下方法进行
s1，将碳纳米管加入至超纯水中，配制得到碳纳米管超纯水溶液；
s2，将壳聚糖溶液加入至碳纳米管超纯水溶液中，混合均匀后在400W声波喇叭40％强度下超声处理1-5h，得到碳纳米管分散液；
所述胶原蛋白交联按照如下方法实现：
s3，将胶原蛋白加入至醋酸中，室温搅拌2-5h直至完全溶解得到胶原蛋白溶液；
s4，将碳纳米管分散液和胶原蛋白溶液加入至氢氧化钠溶液中，搅拌至彻底混合，得到胶原-碳纳米管水凝胶；
s5，将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到胶原-碳纳米管水凝胶，快速混合交联反应得到胶原蛋白交联液
所述补片的制备按照如下步骤实现：
s6，将胶原蛋白交联液分配至模具中，并在室温下固化10-20h，然后在37℃培养箱中固化5-10h,得到带模具的样品；
s7，将带模具的样品浸入磷酸盐缓冲液中5-15min，去除模具，得到最终样品-导电胶原蛋白心脏补片，将导电胶原蛋白心脏补片放入磷酸盐缓冲液中，在4℃条件下储存。
所述s1中的碳纳米管的浓度为0.2-3.5(重量/体积)，其中重量/体积(W/V)以单位克/升(g/L)计。
所述s1中的碳纳米管采用单壁碳纳米管。
所述s2中的壳聚糖采用天然高分子壳聚糖，重均分子量为15-30万。
所述s2中的壳聚糖的浓度为1％-10％(重量/体积)，其中重量/体积(W/V)以单位克/毫升(g/mL)计。
所述s3中的胶原蛋白的浓度为0.1％-1.0％(重量/体积)，其中重量(W)以单位克(g)计，体积(V)以单位微升(mL)计。
所述s4中的氢氧化钠溶液与碳纳米管分散液的体积比为1:2。
所述s4中的氢氧化钠溶液可以采用pH为5.5-6.7的2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)缓冲液替换。
所述s5中的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的摩尔比为1:1。
所述碳纳米管、壳聚糖及胶原蛋白的重量比为(0.1-0.5)：(2-10)：(0.1-1.0)。
碳纳米管具有优异的力学、电学、热学和光学性能，将功能化碳纳米管与聚合物(如胶原蛋白)复合制备水凝胶，可以赋予水凝胶具有良好的导电性能、近红外响应性、pH响应性以及增强的力学性能，被认为是非常理想的高性能聚合物复合材料的增强材料。本发明选用的为单壁碳纳米管，与双臂及多壁管相比，单壁管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性，因此，制备的碳纳米管分散液也更加均一和稳定。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
本发明提供的方法简单有效，制备的导电胶原蛋白心脏补片机械强度高、电子传导性强且具有良好的生物相容性、安全性、易生物降解性，解决了普通心脏修补材料使用过程中韧性和电子传导差等的局限性，在组织工程等生物医用材料领域具有广泛的应用前景。
具体实施方式
结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其步骤方法如下：
(1)碳纳米管分散液的制备：在20mL超纯水中加入0.01g单壁碳纳米管得到0.5g/L的碳纳米管超纯水溶液；将0.2g壳聚糖(Mw＝20万)加入10mL乙酸溶液中得到2％(重量/体积)的壳聚糖溶液；然后取10mL碳纳米管超纯水溶液，向其中加入10mL 2％(重量/体积)的壳聚糖溶液，将该混合物在400W声波喇叭40％强度下超声处理2小时。
(2)胶原蛋白交联：
在100mL浓度为0.1mol/L醋酸中加入0.5g胶原蛋白，室温搅拌3小时得到0.5％(W/V)胶原溶液；将上述碳纳米管分散液20mL与100mL胶原蛋白溶液及10mL 2mol/L NaOH溶液充分混合；再将10mL 0.5mol/L 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶液和25mL0.2mol/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到上述混合物中，并快速混合。
(3)补片的制备：
将样品分配到模具中，并在室温下固化16h，然后在37℃培养箱中固化8h。将样品连同模具一起浸入磷酸盐缓冲液中5min，然后轻轻分离模具部分，将样品从模具中取出得到最终样品。最终样品4℃条件下储存在磷酸盐缓冲液中。
以普通胶原蛋白补片作为对比例，实施例1与对比例的机械强度比对如下：
最大应力MPa 最大应变％ 杨氏模量MPa 韧性Jm-2
实施例1 380±60 12.0±0.5 5.6±0.9 21±5
对比例 266±30 10±1 4.8±0.3 10±3
经比对，实施例1制备的导电胶原蛋白补片相比于普通胶原蛋白补片，机械强度得到了提高，韧性也得到提升。
导电胶原蛋白补片采用电学性能优良的碳纳米管作为添加剂能够保证赋予胶原蛋白良好的电子传导性；胶原蛋白本身具有良好的生物相容性、安全性和生物降解性，赋予了补片相应的功能。
实施例2
一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其步骤方法如下：
(1)碳纳米管分散液的制备：在40mL超纯水中加入0.04g单壁碳纳米管得到1.0g/L的碳纳米管超纯水溶液；将0.4g壳聚糖(Mw＝25万)加入20mL乙酸溶液中得到2％(重量/体积)的壳聚糖溶液；然后取20mL碳纳米管超纯水溶液，向其中加入20mL 2％(重量/体积)的壳聚糖溶液。将该混合物在400W声波喇叭40％强度下超声处理4小时。
(2)胶原蛋白交联：
在100mL浓度为0.2mol/L醋酸中加入1.0g胶原蛋白，室温搅拌4小时得到1.0％(W/V)胶原溶液。将上述碳纳米管分散液40mL与100mL胶原蛋白溶液及20mL pH为5.5的2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)缓冲液溶液充分混合；再将15mL 0.5mol/L 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶液和37.5mL 0.2mol/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到上述混合物中，并快速混合。
(3)补片的制备：
将样品分配到模具中，并在室温下固化18h，然后在37℃培养箱中固化8h。将样品连同模具一起浸入磷酸盐缓冲液中10min，然后轻轻分离模具部分，将样品从模具中取出。最终样品4℃条件下储存在磷酸盐缓冲液中。
实施例3
一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其步骤方法如下：
(1)碳纳米管分散液的制备：在50mL超纯水中加入0.01g单壁碳纳米管得到0.2g/L的碳纳米管超纯水溶液；将0.1g壳聚糖(Mw＝20万)加入10mL乙酸溶液中得到1％(重量/体积)的壳聚糖溶液；然后取10mL碳纳米管超纯水溶液，向其中加入10mL 1％(重量/体积)的壳聚糖溶液，将该混合物在400W声波喇叭40％强度下超声处理2小时。
(2)胶原蛋白交联：
在100mL浓度为0.1mol/L醋酸中加入0.1g胶原蛋白，室温搅拌3小时得到0.1％(W/V)胶原溶液；将上述碳纳米管分散液20mL与100mL胶原蛋白溶液及10mL 2mol/L NaOH溶液充分混合；再将10mL 0.5mol/L 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶液和25mL0.2mol/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到上述混合物中，并快速混合。
(3)补片的制备：
将样品分配到模具中，并在室温下固化16h，然后在37℃培养箱中固化8h。将样品连同模具一起浸入磷酸盐缓冲液中5min，然后轻轻分离模具部分，将样品从模具中取出得到最终样品。最终样品4℃条件下储存在磷酸盐缓冲液中。
实施例4
一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其步骤方法如下：
(1)碳纳米管分散液的制备：在50mL超纯水中加入0.1g单壁碳纳米管得到2g/L的碳纳米管超纯水溶液；将0.5g壳聚糖(Mw＝35万)加入10mL乙酸溶液中得到5％(重量/体积)的壳聚糖溶液；然后取10mL碳纳米管超纯水溶液，向其中加入10mL 5％(重量/体积)的壳聚糖溶液，将该混合物在400W声波喇叭40％强度下超声处理2小时。
(2)胶原蛋白交联：
在100mL浓度为0.1mol/L醋酸中加入0.5g胶原蛋白，室温搅拌3小时得到0.5％(W/V)胶原溶液；将上述碳纳米管分散液20mL与100mL胶原蛋白溶液及10mL 2mol/L NaOH溶液充分混合；再将10mL 0.5mol/L 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶液和25mL0.2mol/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到上述混合物中，并快速混合。
(3)补片的制备：
将样品分配到模具中，并在室温下固化16h，然后在37℃培养箱中固化8h。将样品连同模具一起浸入磷酸盐缓冲液中5min，然后轻轻分离模具部分，将样品从模具中取出得到最终样品。最终样品4℃条件下储存在磷酸盐缓冲液中。
实施例5
一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其步骤方法如下：
(1)碳纳米管分散液的制备：在100mL超纯水中加入0.35g单壁碳纳米管得到3.5g/L的碳纳米管超纯水溶液；将1g壳聚糖(Mw＝30万)加入10mL乙酸溶液中得到10％(重量/体积)的壳聚糖溶液；然后取10mL碳纳米管超纯水溶液，向其中加入10mL 10％(重量/体积)的壳聚糖溶液，将该混合物在400W声波喇叭40％强度下超声处理2小时。
(2)胶原蛋白交联：
在100mL浓度为0.1mol/L醋酸中加入0.5g胶原蛋白，室温搅拌3小时得到0.5％(W/V)胶原溶液；将上述碳纳米管分散液20mL与100mL胶原蛋白溶液及10mL pH为6.7的2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)缓冲液充分混合；再将10mL 0.5mol/L 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶液和25mL 0.2mol/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到上述混合物中，并快速混合。
(3)补片的制备：
将样品分配到模具中，并在室温下固化16h，然后在37℃培养箱中固化8h。将样品连同模具一起浸入磷酸盐缓冲液中5min，然后轻轻分离模具部分，将样品从模具中取出得到最终样品。最终样品4℃条件下储存在磷酸盐缓冲液中。
实施例6
一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其步骤方法如下：
(1)碳纳米管分散液的制备：在50mL超纯水中加入0.10g单壁碳纳米管得到2g/L的碳纳米管超纯水溶液；将0.4g壳聚糖(Mw＝20万)加入10mL乙酸溶液中得到4％(重量/体积)的壳聚糖溶液；然后取10mL碳纳米管超纯水溶液，向其中加入10mL 4％(重量/体积)的壳聚糖溶液，将该混合物在400W声波喇叭40％强度下超声处理2小时。
(2)胶原蛋白交联：
在100mL浓度为0.1mol/L醋酸中加入0.4g胶原蛋白，室温搅拌3小时得到0.4％(W/V)胶原溶液；将上述碳纳米管分散液20mL与100mL胶原蛋白溶液及10mL 2mol/L NaOH溶液充分混合；再将10mL 0.5mol/L 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶液和25mL0.2mol/L N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到上述混合物中，并快速混合。
(3)补片的制备：
将样品分配到模具中，并在室温下固化16h，然后在37℃培养箱中固化8h。将样品连同模具一起浸入磷酸盐缓冲液中5min，然后轻轻分离模具部分，将样品从模具中取出得到最终样品。最终样品4℃条件下储存在磷酸盐缓冲液中。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明提供的方法简单有效，制备的导电胶原蛋白心脏补片机械强度高、电子传导性强且具有良好的生物相容性、安全性、易生物降解性，解决了普通心脏修补材料使用过程中韧性和电子传导差等的局限性，在组织工程等生物医用材料领域具有广泛的应用前景。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：其制备步骤包括碳纳米管分散液的制备，胶原蛋白交联及补片的制备；
所述碳纳米管分散液的制备按照如下方法进行
s1，将碳纳米管加入至超纯水中，配制得到碳纳米管超纯水溶液；
s2，将壳聚糖溶液加入至碳纳米管超纯水溶液中，混合均匀后在400W声波喇叭40％强度下超声处理1-5h，得到碳纳米管分散液；
所述胶原蛋白交联按照如下方法实现：
s3，将胶原蛋白加入至醋酸中，室温搅拌2-5h直至完全溶解得到胶原蛋白溶液；
s4，将碳纳米管分散液和胶原蛋白溶液加入至氢氧化钠溶液中，搅拌至彻底混合，得到胶原-碳纳米管水凝胶；
s5，将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺溶液加入到胶原-碳纳米管水凝胶，快速混合交联反应得到胶原蛋白交联液
所述补片的制备按照如下步骤实现：
s6，将胶原蛋白交联液分配至模具中，并在室温下固化10-20h，然后在37℃培养箱中固化5-10h,得到带模具的样品；
s7，将带模具的样品浸入磷酸盐缓冲液中5-15min，去除模具，得到最终样品-导电胶原蛋白心脏补片，将导电胶原蛋白心脏补片放入磷酸盐缓冲液中，在4℃条件下储存。
2.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s1中的碳纳米管的浓度为0.2-3.5(重量/体积)，其中重量/体积(W/V)以单位克/升(g/L)计。
3.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s1中的碳纳米管采用单壁碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s2中的壳聚糖采用天然高分子壳聚糖，重均分子量为15-30万。
5.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s2中的壳聚糖的浓度为1％-10％(重量/体积)，其中重量/体积(W/V)以单位克/毫升(g/mL)计。
6.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s3中的胶原蛋白的浓度为0.1％-1.0％(重量/体积)，其中重量(W)以单位克(g)计，体积(V)以单位毫升(mL)计。
7.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s4中的氢氧化钠溶液与碳纳米管分散液的体积比为1:2。
8.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s4中的氢氧化钠溶液可以采用pH为5.5-6.7的2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)缓冲液替换。
9.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述s5中的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的摩尔比为1:1。
10.根据权利要求1所述的一种导电胶原蛋白心脏补片的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管、壳聚糖及胶原蛋白的重量比为(0.1-0.5)：(2-10)：(0.1-1.0)。
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